Zellproliferation im humanen arthrotischen Gelenkknorpel[1]

Zusammenfassung.

Fragestellung: Der arthrotische Gelenkknorpel ist histologisch durch das Auftreten von großen Chondrozytennestern gekennzeichnet, welche vermutlich durch Zellteilung entstehen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Verteilung und das Ausmaß proliferativer Vorgänge im gesunden und arthrotischen Gelenkknorpel zu bestimmen. Material und Methode: 6 gesunde und 43 arthrotische Knorpel-/Knochenproben wurden während Obduktionen oder bei der Implantantion von Knie-Totalendoprothesen gewonnen. Die anschließend angefertigten Knorpel-/Knochenschnitte wurden mit Safranin-O gefärbt und der Arthrosegrad entsprechend dem Mankin-Schema beurteilt. Proliferierende Chondrozyten wurden immunhistochemisch mit dem Proliferationsmarker PCNA nachgewiesen. Durch Auszählung von jeweils 100 Zellen pro Knorpelschicht wurde der Anteil PCNA-positiver Chondrozyten bestimmt. Ergebnisse: Es wurden in den arthrotischen und vereinzelt auch in den gesunden Knorpelproben PCNA-positive proliferierende Chondrozyten gefunden. Der Anteil der proliferierenden Chondrozyten nahm mit dem Schweregrad der arthrotischen Knorpelveränderungen zu. Sowohl einzeln liegende Chondrozyten als auch Chondrozyten in den Zellclustern zeigten die Expression von PCNA. Speziell in schwer arthrotischen Knorpelarealen war die Zellteilung aktiviert. Schlussfolgerung: Arthrotische Chondrozyten zeigen neben der bekannten Synthesesteigerung der Matrixproteine auch das Phänomen der Zellteilung. Andererseits ist bekannt, dass ein Teil der arthrotischen Chondrozyten durch Apoptose abstirbt. Ob schließlich die gesteigerte Zellteilungsrate die Rate an apoptotischen Chondrozyten nicht mehr kompensieren kann, oder ob die Bildung von Brutnestern nur einen frustranen Regenerationsversuch darstellt, sollte weiter erforscht werden. Es könnten sich über die Induktion der Zellteilung neue konservative Therapieansätze in der Behandlung der Arthrose entwickeln.

Objective: Osteoarthritic (OA) cartilage is histologically characterized by the appearance of cell clusters, which are probably generated by mitotic cell division The aim of this study was to analyze the distribution and amount of proliferating chondrocytes in healthy and osteoarthritic cartilage systematically. Materials and methods: 6 normal and 43 osteoarthritic cartilage/bone samples were obtained during autopsies or total knee replacements. The cartilage specimens were stained with safranin-o and scored according to the Mankin-System. Proliferating chondrocytes were identified by immunohistochemical detection of the antigen PCNA. The number of proliferating chondrocytes was determined by counting 100 chondrocytes in each cartilage layer. Results: In normal and osteoarthritic human cartilage, proliferating chondrocytes were detected. The amount of proliferating chondrocytes increased during the progression of OA cartilage changes. Expression of PCNA was determined in single chondrocytes and clustered chondrocytes. Chondrocyte cell division was activated specifically in cartilage with severe OA changes. Conclusions. Osteoarthritic chondrocytes, which are known to increase the synthesis of different matrix proteins, show the phenomenon of mitotic cell division. Whether the increased amount of proliferating chondrocytes fails to compensate the rate of apoptotic chondrocytes, or whether the generation of cell clusters represents only a fruitless repair effort is a subject of recent research. However, the induction of chondrocyte proliferation is a potential target in the treatment of OA.

Schlüsselwörter

Knorpel - Arthrose - Proliferation

Key words

Cartilage - Osteoarthritis - Proliferation

1 Diese Arbeit wurde gefördert von der DFG (FKZ: PF383/1-1)

Literatur

1 Diese Arbeit wurde gefördert von der DFG (FKZ: PF383/1-1)

• 01 Mayne  R. Cartilage Collagens. What is their function, and are they involved in articular disease?.  Arthritis Rheum. 1989;  32 241-246
• 02 Heinegard  D, Oldberg  A. Structure and biology of cartilage and bone matrix non-collagenous macromolecules.  FASEB. 1989;  3 2042-2051
• 03 Aigner  T, Bertling  W, Stöss  H, Weseloh  G, von der Mark  K. Independent expression of fibril-forming collagens I, II and III in chondrocytes of human osteoarthritic cartilage.  J Clin Invest. 1993;  91 829-837
• 04 Swoboda  B, Pullig  O, Kirsch  T, Kladny  B, Steinhäuser  B, Weseloh  G. Increased content of type-VI collagen epitopes in human osteoarthritic cartilage: Quantitation by inhibition ELISA.  J Orthop Res. 1999;  16 96-99
• 05 Pfander  D, Rahmanzadeh  R, Scheller  E E. Presence and distribution of Collagen II, Collagen I, Fibronectin and Tenascin in rabbit normal and osteoarthritic cartilage.  J Rheumatol. 1999;  26 386-394
• 06 Chevalier  X, Groult  N, Larget-Piet  B, Zari  L, Hornebeck  W. Tenascin distribution in articular cartilage from normal subjects and from patients with osteoarthritis and rheumatoid arthritis.  Arthritis Rheum. 1994;  37 1013-1022
• 07 Pfander  D, Cramer  T, Deuerling  D, Weseloh  G, Swoboda  B. Expression of Thrombospondin-1 and its receptor CD36 in human osteoarthritic cartilage.  Ann Rheum Dis. 2000;  59 448-454
• 08 Pelletier  J-P, DiBattista  J, Roughley  P, McCollum  R, Martel-Pelletier  J. Cytokines and inflammation in cartilage degradation.  Rheum Dis Clin North Am. 1993;  19 545-568
• 09 Middleton  J, Manthey  A, Tyler  J. Insulin-like Growth Factor (IGF) receptor, IGF-I, Interleukin-1β (IL-1β), and IL-6 MRNA expression in osteoarthritic and normal human cartilage.  J. Histochem. Cytochem. 1996;  44 133-141
• 10 Freemont  A, Hampson  V, Tilman  R, Goupille  P, Taiwo  Y, Hoyland  J A. Gene expression of matrix metalloproteinases 1, 3 and 9 by chondrocytes in osteoarthritic cartilage is zone and grade specific.  Ann Rheum Dis. 1997;  56 542-549
• 11 Cs-Szabò  G, Melching  L l, Roughley  P, Glant  T. Changes in messenger RNA and protein levels of proteoglycans and link protein in human osteoarthritic cartilage samples.  Arthritis Rheum. 1997;  40 1037-1045
• 12 Matyas  J, Adams  M, Huang  D, Sandell  L. Discoordinate gene expression of aggrecan and type II collagen in experimental osteoarthritis.  Arthritis Rheum. 1995;  38 420-425
• 13 Pullig  O, Weseloh  G, Swoboda  B. Expression of type VI collagen in normal and osteoarthritic human cartilage.  Osteoarthritis Cartilage. 1999;  7 191-202
• 14 Young  R D, Lawrence  P, Duance  V, Aigner  T, Monaghan  P. Immunolocalization of collagen types II and III in single fibrils of human articular cartilage.  J Histochem Cytochem. 2000;  48 423-432
• 15 Eyre  D, Mc Devitt  C, Billingham  M, Muir  H. Biosynthesis of collagens and other matrix proteins by articular cartilage in experimental osteoarthritis.  Biochem J. 1980;  188 823-837
• 16 Gay  S, Rhodes  R. Immunohistological demonstration of distinct collagens in normal and osteoarthritic joints.  Sem Arthritis Rheum. 1981;  11 43-44
• 17 Nerlich  A, Wiest  I, von der Mark  K. Immunohistochemical analysis of interstitial collagens in cartilage of different stages of osteoarthrosis.  Virchows Arch. 1993;  63 249-255
• 18 Salter  D. Tenascin is increased in cartilage and synovium from arthritic knees.  Br J Rheumatol. 1993;  32 780-786
• 19 Pullig  O, Weseloh  G, Gauer  S, Swoboda  B. Osteopontin is expressed by adult human osteoarthritic chondrocytes: protein and mRNA analysis of normal and osteoarthritic cartilage.  Matrix Biology. 2000;  19 245-255
• 20 Pullig  O, Weseloh  G, Ronneberger  D-L, Käkönen  S-M, Swoboda  B. Chondrocyte differentiation in human osteoarthritic cartilage and bone.  Calcif Tissue Int. 2000;  67 230-240
• 21 Blanco  J B, Guitan  R, Vàzques-Martul  E, De Torro  F J, Galdo  F. Osteoarthritis chondrocytes die by apoptosis.  Arthritis Rheum. 1998;  41 284-289
• 22 Hashimoto  S, Ochs  R L, Komiya  S, Lotz  M. Linkage of chondrocyte apoptosis and cartilage degradation in human osteoarthritis.  Arthritis Rheum. 1998;  41 1632-1638
• 23 Blanco  F, Ochs  R, Schwarz  H, Lotz  M. Chondrocyte apoptosis induced by nitric oxide.  Am J Pathol. 1995;  146 76-85
• 24 Hashimoto  S, Takahashi  K, Amiel  D, Coutts  R, Lotz  U. Chondrocyte apoptosis and nitric oxide production during experimentally induced osteoarthritis.  Arthritis Rheum. 1998;  41 1266-1274
• 25 Dustmann  H, Puhl  W, Krempien  B. Die Zellteilung im Gelenkknorpel. Tierexperimentelle Untersuchungen.  Arch Orthop Unfallchir. 1974;  79 171-182
• 26 Telhag  H. Mitosis of chondrocytes in experimental „osteoarthritis” in rabbits.  Clin Orthop Rel Res. 1972;  86 224-229
• 27 Mankin  H, Dorfman  H, Lippiello  L, Zarins  A. Biochemical and metabolic abnormalities in articular cartilage from osteoarthritic human hips. II. Correlation of morphology with biochemical and metabolic data.  J Bone Joint Surg (Am). 1971;  53 523-537
• 28 Pullig  O, Kladny  B, Weseloh  G, Swoboda  B. Metabolische Aktivierung der Chondrozyten bei der humanen Arthrose. Expression von Kollagen II.  Z Orthop. 1999;  137 67-75
• 29 Celis  J, Madsen  P, Celis  A, Nielsen  H, Gesser  B. Cyclin (PCNA, auxiliary protein of DNA polymerase delta) is a central component of the pathways leading to DNA replication and cell division.  Fed Eur Biochem Soc Lett. 1987;  220 1-7
• 30 Isik  F, Ferguson  M, Yamanaka  E, Gordon  D. Proliferating cell nuelear antigen. A marker of cell proliferation in autopsy tissues.  Arch Pathol Lab Med. 1992;  116 1142-1146
• 31 Dustmann  H, Puhl  W, Krempien  B. Das Phänomen der Cluster im Arthroseknorpel. Tierexperimentelle Untersuchungen.  Arch Orthop Unfallchir. 1974;  79 321-333
• 32 Hèraud  E, Hiraud  A, Harmand  M. Apoptosis in normal and osteoarthritic human cartilage.  Ann Rheum Dis. 2000;  59 959-965
• 33 Chubinskaya  S, Merrihew  C, Cs-Szabò  G, Mollenhauer  J, McCartney  J, Rueger  D, Kuettner  K. Human articular chondrocytes express osteogenic protein-1.  J Histochem Cytochem. 2000;  48 239-250
• 34 Moos  V, Fickert  S, Muller  B, Weber  U, Sieper  J. Immunohistological analysis of cytokine expression in human osteoarthritic and healthy cartilage.  J Rheumatol. 1999;  26 870-879
• 35 Pfander  D, Cramer  T, Weseloh  G, Pullig  O, Schuppan  D, Bauer  M, Swoboda  B. Hepatocyte Growth Factor in human osteoarthritic cartilage.  Osteoarthritis Cartilage. 1999;  7 548-559
• 36 Pelletier  J, Jovanovic  D, Lascau-Coman  V, Fernandes  J, Manning  P, Connor  J, Currie  M, Martel-Pelletier  J. Selective inhibition of inducible nitric oxide synthase reduces progression of experimental osteoarthritis in vivo.  Arthritis Rheum. 2000;  43 1290-1299